基坑开挖对下卧隧道变形及参数影响分析

朱冬冬

(新疆新路交通工程有限责任公司 乌鲁木齐市 830000)

0 引言

城市建设过程中，由于地下交通错综复杂，经常会遇到既有隧道上方基坑开挖工程。基坑开挖过程中，土体会发生卸荷效应，进而会影响隧道的安全。文献[1-2]采用大型有限元软件对某市地铁隧道上方的基坑工程开挖进行了模拟，并与现场实测数据相结合，进行了对比分析；文献[3-4]以某城市地铁隧道正上方基坑开挖为研究对象，采用有限元分析软件对基坑开挖的全过程进行了模拟分析，研究结果可为隧道变形控制提供参考；文献[5]以某地地铁6号线建设为研究对象，采用数值方法重点分析了基坑开挖宽度、隧道直径以及地层模量变化对隧道变形的影响；文献[6]采用数值模拟方法，重点模拟了对基坑的开挖和支护过程，验证了基坑开挖中使用桩锚支护结构这一方法的的可行性。主要以某城市既有隧道上方基坑开挖工程为研究对象，采用有限元软件建立数值模型，重点研究基坑开挖对下卧隧道沉降影响，并主要对基坑开挖深度、隧道中心与基坑底部距离二者的所产生的影响进行分析。

1 工程概况

某拟建基坑工程下侧存在一条已经运营的城市地铁，已知该隧道外直径为6.0m，下穿基坑正中央，基坑长和宽相等，该处主要土质为粉土。隧道中心的埋深为16m，基坑的开挖深度h1为6.0m。隧道中心与基坑底部距离h2为10m，支护桩板墙之间间距为32m，桩板墙的深度为20m，具体如图1所示。主要利用数值软件进行数值模拟分析，以便为施工提供参考。

图1 隧道与基坑位置关系图

2 数值建模

2.1 网格划分

通过采用ABAQUS有限元软件建模，数值模型大致如图2所示。模拟过程中，相关参数按上述工程概况取值，模型的长宽高均为60m。如图2所示，给出了隧道模型图和隧道与桩板墙位置模型图，隧道采用预制管片支护。支护桩墙采用连续结构的连墙代替，厚度大小取0.65m。隧道围岩和桩墙均采用实体单元进行模拟；衬砌采用结构单元模拟；此外，本构模型均采用修正剑桥模型。

图2 数值模型图

2.2 计算参数和过程

模拟过程中粉土的物理力学参数主要如表1所示。此外，剑桥模型中的土体初始孔隙比取0.80，修正剑桥模型临界状态有效应力比取1.42，对数体积模量为0.0614，弹性对数体积模量为0.0022。隧道衬砌及桩墙的力学参数则如表2所示。

表1 土的物理力学参数

表2 隧道结构以及桩墙的相关力学参数

在基坑开挖之前，应先进行隧道开挖支护，并考虑既有隧道已经固结稳定，将位移清零。基坑开挖过程中每次开挖2m，分三次开挖完成。

3 数值结果分析

3.1 基坑开挖诱发的隧道竖向变形分析

基坑开挖完后的隧道整体沉降云图如图3所示。由图3可知，基坑正中心隧道顶部隆起最大，最大值为11.3mm。由基坑中心处隧道向两端隧道隆起值逐渐减小，从隧道顶部到底部，隧道隆起值也逐渐减小。

图3 基坑开挖完后的隧道沉降云图

现场实测与数值模拟得到的隧道沉降对比曲线如图4所示。图中显示沿隧道纵向方向，隧道顶部最大竖向位移呈现出近似高斯曲线分布。其中，基坑正中心下方隧道隆起值最大，向两侧缓慢减小。现场实测值比数值模拟值大8.0%左右，说明数值结果的可靠性。在基坑宽度范围内，现场实测值略大于数值模拟值，在基坑宽度范围之外，数值模拟与现场实测曲线近似重合。

图4 实测与数值结果对比曲线

3.2 参数影响分析

3.2.1基坑开挖深度h1的影响

为了分析基坑开挖深度h1变化产生的影响，假定隧道中心与基坑底部距离h2为6m且不变，分别取h1为4m、6m、8m、10m和12m五种情况，由于篇幅有限，本节只给出了h1取4m和12m时的模型竖向云图，具体如图5所示。由图可知，当h1取4m时，基坑底部正中心隆起值最大，最大值为14.5mm，从基坑中心向基坑两边，隆起逐渐减小。当h1取12m时，基坑底部正中心隆起值为27.6mm，即随着基坑开挖深度的增大，基坑底部土体和隧道的竖向位移均增大。

图5 不同基坑开挖深度时的模型竖向位移云图

不同基坑开挖深度时隧道顶部最大竖向位移曲线如图6所示。由图6可知，h1取4m、6m、8m、10m和12m时的隧道顶部最大竖向位移分别为7.2mm、10.4mm、12.6mm、15.1mm和16.9mm，即表示隧道顶部最大竖向位移随基坑开挖深度增大而则增大。

图6 不同基坑开挖深度对应的隧道顶部竖向位移

相比于h1取4m时，h1取6m、8m、10m和12m时的隧道顶部最大竖向位移分别增大了44.4%、75.0%、109.7%和134.7%。

综上可知，随基坑开挖深度增大，基坑底部土体和隧道顶部最大竖向位移逐渐增大，这是由于基坑开挖会诱发土体发生卸荷效应，进而引起基坑底部土体和隧道上隆。

3.2.2隧道中心与基坑底部距离h2的影响

为了分析隧道中心与基坑底部距离h2变化产生的影响，假定基坑开挖深度h1为6m且不变。本节取h2为2m、5m、8m、11m、14m、17m和20m共七种情况，由于篇幅有限，本节只给出了h2取2m和20m时的模型竖向云图，具体如图7所示。

图7 不同h2时的模型竖向位移云图

由图7可知，当h2取2m时，基坑底部正中心隆起值最大，大小为22.0mm，当h2取20m时，基坑底部正中心隆起值为19.7mm。即，随着隧道中心与基坑底部距离的增大，基坑底部土体和隧道的竖向位移均减小。

隧道中心与基坑底部不同距离时的最大竖向位移曲线如图8所示。由图可知，h2取2m、5m、8m、11m、14m、17m和20m时的隧道顶部最大竖向位移分别为12.4mm、11.2mm、9.3mm、7.8mm、6.5mm、5.1mm和4.3mm，隧道顶部最大竖向位移随隧道中心与基坑底部距离的增大而减小，相比于h2取2m时，h2取5m、8m、11m、14m、17m和20m时的隧道顶部最大竖向位移分别减小了9.7%、25.0%、37.1%、47.6%、58.9%和65.3%。

图8 隧道顶部最大竖向位移随h2变化曲线

4 结论

主要采用数值模拟方法对某城市隧道上方基坑开挖工程进行研究，得到以下结论：

(1)基坑开挖之后，隧道发生整体的隆起，其中基坑正中心隧道顶部隆起最大，由基坑中心下方处隧道向两端隧道隆起值逐渐减小，从隧道顶部到底部，隧道隆起值也逐渐减小。

(2)通过数值模拟方法得到隧道最大隆起值为11.3mm，现场实测得到隧道最大隆起值为12.2mm，二者相差8.0%左右，由于现场施工情况与数值模拟不完全一致，尽管有一定出入，但认为数值模型分析及结果是合理的。

(3)随基坑开挖深度增大，隧道顶部最大竖向位移逐渐增大，这与基坑开挖会诱发土体出现卸荷效应有关。此外，随着基坑开挖深度的不断增大，土体卸荷的水平也不断增大，导致隧道竖向位移逐渐增大。

(4)随着隧道中心与基坑底部距离的增大，隧道顶部最大竖向位移逐渐减小。这是因为此时隧道距离基坑底部距离越来越远，基坑开挖卸荷对隧道产生的影响逐渐减小，使得隧道竖向位移逐渐减小。